机械设备金属材料的磨损失效及安全防范策略.pdf

世界有色金属2023年6月下176机械设备金属材料的磨损失效及安全防范策略李富梅（兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 7 3 0 2 0 7）摘 要：现如今，我国工业生产规模不断扩大，且迅速成为我国支柱型产业之一，而机械设备则是工业生产及相关技术发展的重要基础设施，目前工业生产中随处可见大量的机械设备。然而，机械设备在运行中必然会遇到磨损问题，若是磨损过于严重，很可能影响到机械设备原有性能，进而也会威胁工业生产的安全性、稳定性，最终造成经济方面的重大损失。对此，文中重点从机械设备金属材料角度出发，就其使用中常见的磨损失效现象进行论述，其中磨损失效包括磨粒磨损、磨蚀磨损、疲劳模式等多种类型，在此基础上，针对性地提出相关的预防对策，包括提高金属材料表面耐磨性、做好预防性维修工作、革新材料制作技术、设计新型机械设备等，据此希望在后续的生产中减少金属材料磨损失效问题的发生，最大化地保障机械设备稳定可靠地运行工作。关键词：工业设备；磨损失效；策略探讨；金属零件；安全防护中图分类号：T H1 4 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 2-0 1 7 6-3Wear failure and safety prevention strategies of metal materials in mechanical equipmentLIFu-mei(L a n z h o u P e t r o c h e mi c a l Un i v e r s i t y o f V o c a t i o n a l T e c h n o l o g y,L a n z h o u 7 3 0 2 0 7,C h i n a)Abstract:No w a d a y s,t h e s c a l e o f i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n i n C h i n a i s c o n s t a n t l y e x p a n d i n g a n d r a p i d l y b e c o mi n g o n e o f t h e p i l l a r i n d u s t r i e s i n C h i n a.Me c h a n i c a l e q u i p me n t i s a n i mp o r t a n t i n f r a s t r u c t u r e f o r i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n a n d r e l a t e d t e c h n o l o g i c a l d e v e l o p me n t.C u r r e n t l y,a l a r g e n u mb e r o f me c h a n i c a l e q u i p me n t c a n b e s e e n e v e r y w h e r e i n i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n.Ho w e v e r,me c h a n i c a l e q u i p me n t i n e v i t a b l y e n c o u n t e r s w e a r i s s u e s d u r i n g o p e r a t i o n.I f t h e w e a r i s t o o s e v e r e,i t ma y a f f e c t t h e o r i g i n a l p e r f o r ma n c e o f t h e me c h a n i c a l e q u i p me n t,a n d t h e n t h r e a t e n t h e s a f e t y a n d s t a b i l i t y o f i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n,u l t i ma t e l y c a u s i n g s i g n i f i c a n t e c o n o mi c l o s s e s.I n t h i s r e g a r d,t h e a r t i c l e f o c u s e s o n d i s c u s s i n g t h e c o mmo n w e a r f a i l u r e p h e n o me n a i n t h e u s e o f me c h a n i c a l e q u i p me n t me t a l ma t e r i a l s f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f w e a r f a i l u r e,i n c l u d i n g a b r a s i v e w e a r,a b r a s i v e w e a r,f a t i g u e mo d e,a n d o t h e r t y p e s.B a s e d o n t h i s,t a r g e t e d p r e v e n t i v e me a s u r e s a r e p r o p o s e d,i n c l u d i n g i mp r o v i n g t h e s u r f a c e w e a r r e s i s t a n c e o f me t a l ma t e r i a l s,d o i n g p r e v e n t i v e ma i n t e n a n c e w o r k,i n n o v a t i n g ma t e r i a l p r o d u c t i o n t e c h n o l o g y,a n d d e s i g n i n g n e w t y p e s o f me c h a n i c a l e q u i p me n t,B a s e d o n t h i s,w e h o p e t o r e d u c e t h e o c c u r r e n c e o f me t a l ma t e r i a l w e a r a n d f a i l u r e i n s u b s e q u e n t p r o d u c t i o n,a n d ma x i mi z e t h e g u a r a n t e e o f s t a b l e a n d r e l i a b l e o p e r a t i o n o f me c h a n i c a l e q u i p me n t.Keywords:I n d u s t r i a l e q u i p me n t;We a r f a i l u r e;S t r a t e g i c e x p l o r a t i o n;Me t a l p a r t s;S a f e t y p r o t e c t i o n收稿日期：2 0 2 3-0 4作者简介：李富梅，女，生于1 9 8 4 年，汉族，甘肃白银人，本科，副教授，研究方向：机械基础类。机械设备是当前普遍使用的工业基础设施，其在使用的过程中很容易出现金属材料磨损问题，这对于金属材料表面质量、基本结构甚至是材料性能都会造成严重的损害。据悉，目前机械设备运行中，各种金属部件失效的主要形式便是磨损失效，且经统计近70损坏的机械设备都是由于金属材料磨损造成的，世界范围内因这一问题而造成的经济损失一度超过千亿美元一年1。对于国内而言，工业生产机械设备因老化、维护不当等原因导致金属材料磨损失效问题更为突出，因而有关机械设备金属材料磨损失效的研究显得尤为重要，亟待采取有效的安全防范策略以减少磨损失效问题的发生，以便于提升工业生产经济效益。1 机械设备金属材料磨损所造成的危害概述机械设备金属材料磨损是一种常见的现象，其主要是指机械设备运作中，因金属材料各部分间直接接触而产生摩擦作用，导致金属材料表面受到磨损，诸如材料原来的形态、尺寸等发生了变化，导致机械设备应有性能受到破坏，使用寿命也是大幅度缩减。现阶段几乎所有的机械设备金属材料都存在不同程度的磨损，且造成金属材料磨损的因素颇多，诸如部分机械设备使用年限比较长，则固体颗粒、水汽等也会在机械设备中积累，若没有及时地进行清理，这些固体颗粒等杂质就会诱发金属材料发生磨损。一旦机械设备金属材料磨损达到某一限度后，便会致使设备性能发生变化，对于一些精密仪器而言，精度也会受到严重影响，这对于精密仪器的使用无疑是致命的。再如金属矿产选矿加工过程中，通常会受到地理环境及周围化学介质的影响，导致所使用的机械设备磨损问题尤为突出，圆锥破碎机、球磨机、浮选机等机械设备金属部件极易发生腐蚀磨损，一旦磨损失效，便会导致生产链被迫停止修复，造成了巨大的经济损失的同时也影响了日常的生产工作2-5。且对于国家而言，机械设备金属材料磨损失效问题的加剧也会在一定程度上制约我国制造业生产发展，可见对于机械设备磨损失效问题的研究已是必然趋势。2 机械设备金属材料磨损失效的类型分析机械设备金属材料磨损失效可以根据具体的磨损作用方式分为多种类型，诸如磨粒磨损是指金属材料间表面硬质颗粒发生摩擦而产生的磨损，腐蚀磨损则是指金属材料相互2023年6月下 世界有色金属 177摩擦中出现了化学或电化学反应而造成的一种物质损失。下述则就几种常见的金属材料磨损失效现象进行简要的论述分析。2.1 磨粒磨损上述已经对磨粒磨损进行了简要的介绍，即因机械设备金属材料表面存在一些硬质颗粒或是突出物，导致在与其他金属材料部件相接触时，在金属表面产生相互摩擦作用而造成的一种磨损现象。一般的，磨粒磨损会沿着滑动方向与金属材料表面形成相应的划痕。当前部分学者对于磨粒磨损也进行了相应的分类，通常根据作用特点可将之分为三类，其中凿削式磨粒磨损影响最为显著，这也是由其自身特征所决定的，即磨粒会对金属材料表面产生较大冲击，从而使金属材料表面脱落较大颗粒磨屑，根据磨损过程中所接触物体表面可分为两体和三体磨粒磨损6。另外两种则分别为低应力、高压力磨粒磨损，前者在低应力状态下磨损形式主要为划伤式，后者高压力状态下磨损方式则表现为碾碎式，这也是不同类型磨粒磨损的基本特征。2.2 粘着磨损粘着磨损通常是在机械设备金属部件产生活动摩擦的情况下生成的，在此条件下，金属部件接触面会出现金属粘着现象，因而在表面相对滑动时，粘着处很容易受到破坏，最终金属屑粒便会从金属部件表面脱离下来，这一磨损形式即粘着磨损，有些情况下也被称作咬合磨损。粘着磨损可以根据节点的强度及具体破坏位置分为多种形式，包括轻微粘着磨损、一般粘着磨损、胶合磨损、擦伤磨损，对应的磨损发生位置分别为金属材料界面及软材料表层，磨损程度也是逐渐加剧。粘着磨损会使金属材料表面出现磨屑，对于机械设备使用性能会造成一定的影响，诸如金属材料硬度、相对滑动距离等均是造成粘着磨损发生的重要因素。2.3 微动磨损对于机械设备金属材料而言，微动磨损主要是指两个表面间发生的振幅较小的相对振动而引发的一种磨损现象。微动磨损的发生部位并不固定，诸如相对固定抑或是滑动的金属材料部件表面均可能存在微动磨损现象，微动磨损也正如其定义，所造成的磨损通常并不严重，但这并不意味着这一磨损危害会因此减弱，因而对于微动磨损也要加以关注，尽可能地减少微动磨损的发生7-13。此处简述有关微动磨损的基本特征：微动磨损发生的首要条件便是具有引发微动的振动源，诸如电磁场、冷热循环等；且微动磨损所造成的磨痕通常方向一致，表现为塑性变形、微裂纹等形式；微动磨损所产生的磨屑容易聚集，且含量大量的氧化物。2.4 疲劳磨损疲劳磨损也被称为接触疲劳，以机械设备金属材料为例，即是指当两个金属材料部件相接触且发生相对运动时，若是接触面的应力超出金属部件疲劳强度，此时其表面层的裂纹将不断扩大，直至金属部件表面一部分材料脱离，该过程即为疲劳磨损。一般的，疲劳磨损的表现形式主要为剥落、点蚀、剥层等，其中点蚀即从金属材料的表面开始向内部逐渐扩展，后续所产生的二次裂纹又会返回至金属材料表面，其中裂纹以上部分材料脱落下即形成了点蚀。下图1则为金属材料点蚀实物图。剥落则是沿着金属材料表面平行方向扩展，最终所形成的剥落坑呈现为片状，相关研究表面，剥落裂纹是由亚表层循环切应力引起，因而在分析剥落现象时，首要考虑的参数应当为最大切应力或是正交切应力。图1点蚀实物图2.5 腐蚀磨损最后即是腐蚀损坏，腐蚀磨损是指在机械设备等金属材料周围产生了某种介质，从而使得金属表面在相互碰撞过程中与介质之间产生了化学反应或电化学反应，并随之导致金属表面发生了物质损失，这一损坏即腐蚀损坏。经分析研究表明，腐蚀损坏产生条件相当苛刻，而且仅仅在某些特定条件下才会出现，重点就是金属周围介质可以产生化学反应或电化学反应。尽管腐蚀损坏的发生范围较小，但是如果条件已经形成，那么在引起腐蚀损坏的同时还会引发其他类型的磨损，而重叠磨损所带来的影响也是异常显著的。一般的，腐蚀磨损主要存在于金属材料表面，且会形成类似磨粒磨损的划痕。3 金属材料磨损失效的安全防护措施探讨结合上述分析可知，目前机械设备金属材料磨损失效的问题十分突出，各种类型的磨损失效均会在不同程度上影响机械设备的使用性能及使用寿命。一旦磨损失效问题严重，还会导致机械设备损坏，影响工业生产。由此可见，金属材料磨损失效危害极大，因而急需采取一些安全防护措施以减少类似现象的发生。下述从材料、作业环境、保养维修等多个层面出发，具体探讨如何有效防护金属材料磨损失效问题。3.1 不断提升机械设备金属材料表面耐磨性通过提高金属部件表面耐磨性，可以在发生磨损时可以有效降低损坏力度，保护金属材料原有功能不被破坏。通常的，提升机械设备金属材料表面耐磨性的方法有以下几种：第一，合理选择机械设备金属材料。现如今，科学技术发展迅速，新型耐磨性材料层出不穷，因而在制造产业机械设备金属材料零件选择中，也要选择具有较好耐磨性的材料，这就需要结合机械设备作业环境预先计算摩擦限额，以便于更为精准的选择耐磨性合适的金属零部件。第二，对金属零件进行热化学处理。热化学处理即在金属部件制作过程中掺入世界有色金属2023年6月下178某些特定的元素以达到改变部件表面化学结构的目的，从而有效提升其表面的硬度及强度。目前热化学处理法在提升金属部件表面耐磨性方面的应用还比较少，这一方法技术含量及成本都比较高，因而对于一些有着严格耐磨性要求的特殊机械设备才会使用。第三，借助冷挤压等机械方法强化表面形变以增加金属材料零件的表面强度及硬度。冷挤压、喷丸等机械方法操作都较为简单，且处理后在提升表面强度方面有着较好的效果，因而目前用于金属材料表面处理的频次较高。第四，在金属材料表面覆盖耐磨性合金材料。这一方法易于理解，即在目标机械设备金属材料表面覆盖熔化的合金材料，并使之快速冷却形成硬化层即可，通过保护层可以有效增加金属材料表层耐磨性，该方法最为关键的部分便是选取合适的表面层保护材料。第五，表面覆盖强化薄膜。该方法与表面覆盖耐磨性合金材料原理一致，都是在目标材料表面覆盖保护层以避免金属材料的磨损失效。表面强化薄膜则是通过离子注入、电镀或是气相沉积等方式形成覆盖膜，覆盖膜硬度、抗腐蚀性都比较好，对于金属材料磨损失效的防护效果显著。3.2 做好机械设备金属材料预防性维修工作除提升金属材料自身耐磨性之外，做好预防性维修工作也是必要的，通过定期的检测维修可以及时地消除一些磨损隐患，延长机械设备使用寿命。对此，需要做好如下几方面内容：第一，针对重要的机械设备建立起相关档案，并对金属材料零部件所出现的磨损现象进行详细的分析，需要清晰地了解各种磨损故障产生的原因及可能造成的后果，然后结合分析的结果及实际情况制定金属部件磨损防护措施。第二，预先对各种机械设备金属部件进行类别划分，即根据易发生磨损的概率进行分类，这就可以参考一些发生过的机械设备金属部件磨损失效事故案例，并对各种金属部件表面性能进行测试，分类后应着重注意容易发生损坏及磨损范围较大的一些金属材料零部件，以此针对性地实施相应的防护措施。第三，合理选择金属材料预防性维修方式。预防性维修方式的选择十分重要，其将直接影响维修最终效果，因此往往需要由机械设备操作技术人员或是该领域专家实施操作，保证维护操作具有较强的针对性。同时相关部门也需要着手编制机械设备金属部件维修方法文件，诸如罗列具体的维修方法、构建金属部件维修逻辑判断程度等，这些均需在后续的发展中不断完善改进。3.3 改善机械设备作业环境机械设备作业环境对于金属部件磨损失效影响显著，若是机械设备工作环境恶劣，则空气中过多的水分、固体颗粒、化学气体等均会加剧金属部件的磨损程度，导致磨损失效问题频发。基于此，为有效减少金属部件磨损失效情况的发生，有必要对机械设备作业环境进行一定的改善。对此，需要规范工业生产实际情况，主要是定期对工厂环境进行检测改善，包括控制生产环境的空气湿度，及时通风去除化学气体等，同时也要及时地清洁设备，将表面附着的颗粒物等及时地清除。除了周围环境外，也要对机械设备运行环境进行改善，诸如机械设备运行中，要对其工作时间进行合理调控，避免出现机械设备超负荷工作的情况，防止破坏机械设备结1刘晓玲.机械设备金属材料的磨损失效及安全防范策略J.世界有色金属,2021(17):27-28.2王宏宙.机械设备金属材料的磨损失效及防范策略研究J.中国金属通报,2021(05):86-87.3蒋宏婉.优化硬质合金涂层微槽车刀后刀面磨损失效对比研究J.组合机床与自动化加工技术,2020(05):138-140.4赵宇迪.夹矸煤层条件下螺旋滚筒磨损失效数值模拟研究D.辽宁工程技术大学,2019.5余仁强.脱硫循环泵过流件用Cr30A冲击腐蚀磨损失效行为研究D.长沙理工大学,2019.6杜晓坤,张志彬,梁秀兵.腐蚀介质下AZ91镁合金滑动摩擦磨损失效行为分析J.装甲兵工程学院学报,2018,32(03):99-105.7刘金强.黄金选矿厂中150ZJ-60渣浆泵过流件磨损机理研究D.山东大学,2018.8韩志强.树枝粉碎机削片动刀的失效分析及其结构参数的优化设计D.天津职业技术师范大学,2018.9梁健，高温环境下铝合金钻杆磨损失效及防护机制研究.河北省，中国地质科学院勘探技术研究所，2017-12-01.10 龙骏,郑开宏,郑志斌,王娟,路建宁.铜矿湿磨用球磨机合金钢衬板的腐蚀磨损失效分析J.特种铸造及有色合金,2017,37(07):759-762.11 肖华强.TiAl3/Ti3AlC2/Al2O3复合材料制备及其耐铝液熔蚀磨损性能研究D.华南理工大学,2013.12 周天宝.制粒环模磨损失效分析及45#钢抗苜蓿草粉的磨料磨损试验研究D.甘肃农业大学，2008.13 胡映明.发动机气门磨损失效分析及其专家系统知识库的构建D.江理工大学,2008.构。此外，也要及时地对机械设备内部、表面进行清理，主要是防止颗粒物、腐蚀性杂志等在机械设备内积累，从而为机械设备营造尽可能健康安全的工作环境，这对于降低金属材料磨损失效现象的发生有着显著作用，也是最易于操作且成本低的举措。3.4 加强既有设备金属材料保养，设计开发新型机械设备对于机械设备金属材料的保养而言，润滑油的选择颇为重要，具体需要结合机械设备运行状况选择合适效果的润滑油以减小表面材料间相对运动时的摩擦力。除润滑油外，日常对机械设备进行内外部清洁、调整各零件部位之间的配合、及时检查金属零件是否松动等对于保护金属材料性能有着十分重要的作用。在保养当前所使用的机械设备金属材料的同时，也要继续开发性能更佳的新型机械设备。这就需要各企业及时了解机械生产行业现状，结合实际需求设计各方面性能优良的新型机械设备，同时也要加强精准定位，这对于机械设备后续的使用、保养工作也是尤为重要。4 结语经由本文的分析可知，机械设备金属材料磨损失效问题尤为严重，我国每年因这一问题所造成的经济损失也是占据了工业生产经济总量的4左右。基于金属材料磨损失效问题的重要影响，文中经研究后提出了相关的应对措施，旨在帮助不断提升机械设备使用性能及使用寿命，使之更好地服务于工业生产实际。